机冷车制冷机组制冷剂替代的批量改造与优化研究

刘国丰

( 广州铁道车辆厂，广州 510800 )

1 项目来源与前期方案研究

中铁特货运输有限责任公司是对易腐货物具有铁路运输能力的专业冷藏运输公司，配属有1910辆(包括B10、B21、B22、B23)机械冷藏车，各型制冷机组共计2906台，其中采用R12制冷剂的有B21、B22、B23三种车型，制冷机组2656台，占特货公司配属制冷机组总量的91.4%。根据“破坏臭氧层物质管理的蒙特利尔议定书”的规定，到2010年将全面停止R12生产，同时一些与R12相关的产品与配件也将停止生产，制冷机组检修将面临R12制冷剂及相关制冷配件采购困难导致无法继续使用的问题。为了解决铁路冷藏车制冷机组R12制冷剂替代问题，保证铁路冷藏运输的存续和发展，中铁特货公司2006年开始立项进行制冷剂替代的研究，通过对国内外各种成熟的R12替代方案进行筛选和比较，确定了用R134a替代、R22替代、R415B替代三个研究方向，经过反复试验研究和比选，最终确定是采用改压缩机R22替代R12方案，原因是R22作为过渡性工质可以使用到2030年，可以保证机械冷藏车运用到报废期，并且具有实施操作简单、改造费用低、经济效益更高的优势[1-2]。该方案于2008年底通过铁道部技术评审。

2 替代方案简介

采用R22替代R12改造方案的主要原理是将制冷机组使用的单机双级压缩机(一个高压缸、三个低压缸)其中一个低压缸停止工作，使进气量为原设计的2/3，基本能够满足充注R22的流量要求，同时，需要增加一个喷液降温装置，将制冷剂液体引入压缩机高低压汽缸连接管中，降低高压级的进气温度，从而达到降低高压级排气温度的目的。该方案可以保留原有系统的主要部件，改造各种量也很小。具体改造方案：

(1)压缩机改造：卸去与高压缸相邻的低压缸(2号缸)吸气阀片及弹簧片，在低压缸连接管上钻一个Ø12.2mm的通孔，将喷液喷头按轴向垂直镶入通孔内，并牢固焊接。

(2)系统改造：机组上加装喷液电磁阀，在供液电磁阀的出口管路上钻一个Ø6的通孔，将喷液连接管一头插入焊牢，另一端与喷液电磁阀连接，在喷液电磁阀的另一端通过毛细管与喷液头连接；加装温度控制器：控制喷液温度，控制排气温度；膨胀阀、干燥过滤器更换为氟利昂R22使用型号，更换高、低压控制器、冷凝风机压力控制器。

(3)电气改造：将喷液电磁阀控制线包与供液电磁阀控制线包相并联；温度控制器控制线路分为两路，一路为控制压缩机，另一路控制喷液电磁阀。

(4)更换制冷剂：用R22替换R12，冷冻机油相应更换为N46。

3 替代方案实施与方案验证

制冷机组制冷剂替代是一个非常复杂的系统工程，从方案研究、运行试验、小批量试改到全面铺开改造，牵涉到技术文件、配件采购、检修设备、运用管理等方方面面，方案研究只是其中一个重要环节，每进行到下一环节都会遇到不同的问题，需要做大量的试验验证工作，不断总结积累经验。

制冷剂替代方案通过技术评审后，中铁特货公司2009年安排下属的三个检修运用分公司进行了10组机冷车小批量试改，并投入运用，为下一步替代工作全面铺开作好准备。三个分公司的小批量试改中，由于改造方案中有多处需要进一步改进的地方，因此，各个分公司在方案实施时会采取不同的处理手法，最后的改造结果就会不完全相同，主要体现在膨胀阀的过热度调节、吸入压力调节阀的限制值调节、节流毛细管的形式与长度、高压缸温度的控制等问题上，仍然存在着许多不一致，需要统一。

为了加快制冷机组制冷剂R22替代R12工作的进程，中铁特货公司计划安排2010年厂、段修到期的机冷车全部进行制冷剂R22替代R12工作。为此，特货公司召集专题会议，总结了小批量试改的情况，统一了替代改造方案，并以技术标准形式下发。

广州铁道车辆厂有多年的铁路冷藏车检修和铁路冷藏运输装备开发经验积累，2008年开始承担铁路机械冷藏车厂修工作，经过两年的机冷车厂修实践，积累了一定的检修经验，因此这次承担了较多的制冷剂替代的批量改造任务。由于前期的替代方案研究以及小批量试改工厂都没有介入，没有实际改造经验，只能对特货公司前期的研究方案及小批量试改和运用总结进行反复研究，弄清楚替代方案的基本原理和思路，找出方案实施的关键项点和存在问题，尽可能避免在改造中出现批量问题，给生产和运用造成经济损失。

通过分析认为实施方案的关键是喷液降温装置能否满足降低压缩机排气温度的要求，其次是膨胀阀、吸入压力调节阀、压力控制器、温度控制器等控制元件的参数调整，以及工艺文件的修订、工装的制作等。

对照中铁特货装备部下发的《机冷车制冷机组制冷剂R22替代R12技术标准》和早期通过铁道部技术评审的改造技术方案，发现喷液降温装置有两套改造方案，也就是三个检修运用分公司在小批量试改中形成的两套改造方案，并且发现技术标准中还有少量参数有待进一步确定。为了保证批量改造的科学性和可靠性，工厂成立项目组对改造方案进行专项研究，制定了研究试验方案：按照两套改造方案进行样机试改，通过对比试验，检验相关技术参数。

试改样机选取了同一组机冷车的两台制冷机组，分别按不同的喷液毛细管口径和长度加装喷液降温装置：方案一：毛细管内径为Ø1.6mm，长度为2400 mm；方案二：毛细管内径为Ø1.0mm，长度为800 mm。试验时在每台制冷机组的压缩机排气管、压缩机高压缸头、膨胀阀前、回气管、蒸发器出风口布置了5个测温点，采用温度记录仪对机组运行的温度变化情况进行了测试记录，对两种改造方案的喷液效果进行对比。在机组运转调试正常后，将喷液温度控制器调整为闭合值100℃，断开值80℃(因为年初试验时环境温度只有20℃，排气温度达不到110℃)，观察机组喷液情况。试验数据显示，方案一喷液降温速度比较快，方案二喷液降温速度比较平稳，在外温大约20℃条件下，方案一排气管温度从100℃降到80℃只需要1～2分钟，方案二排气管温度从100℃降到95℃以后基本稳定，维持喷液时间约15～20分钟。

根据试验分析，在试验期间环境温度只有20℃左右时，排气压力只有1.2MPa，方案二排气温度下降到95℃以后降温非常缓慢，如果在环境温度达到40℃以后，排气压力将达到2.0MPa，排气温度很快上升，方案二可能无法满足缸头降温要求，而方案一能否满足夏季缸头降温要求也还需要在实际运用中进行验证。试验结论是方案一优于方案二，试验情况报告了中铁特货公司装备部后，中铁特货公司装备部根据试验结果进行了方案调整，下发了《关于〈制冷机组制冷剂R22替代R12技术标准〉变更事项的通知》。

4 批量实施改造与优化研究

2010年工厂承接了33组机冷车厂修任务，在进行检修的同时实施制冷剂R22替代R12改造，为了确保批量改造的顺利进行，在完成了喷液降温装置实施方案的比选验证后，主要针对改造实施方案的关键项点进行技术和生产准备，加强质量控制，对改造过程中发现的问题及时分析研究[3]，主要解决的问题如下：

4.1 技术和生产准备

按照《制冷机组制冷剂R22替代R12技术标准》，编制了《制冷机组制冷剂R22替代R12作业指导书》，确定了合理的工艺流程，在机组检修中遇到与改造内容相关的按照《制冷机组制冷剂R22替代R12作业指导书》执行，正常检修仍按照原作业指导书执行；在检修场地已能够满足要求的情况下，增加少量工装、工具，如机用万能平口钳、调速电钻、压缩机曲轴箱钻模等；组织主要检修人员学习了解制冷剂替代样机改造及调试过程，组织制冷机组全体检修人员学习《制冷机组制冷剂R22替代R12技术标准》和《制冷机组制冷剂R22替代R12作业指导书》，使检修人员了解改造内容及技术要求；提报了配件及材料清单，设计了自制件图纸，待装车验证后再进行完善。

4.2 加强改造过程的质量监控

制冷机组用R22替代R12后，运行参数发生了较大变化，主要是排气压力和排气温度升高，对已使用了20年的制冷机组，产生泄漏的可能性提高，产生故障的几率也会增加。制冷剂替代对检修工作带来的影响主要是焊接工作量增加，焊接质量要求高，强度试验压力升高，危险系数加大，必需严格按照技术要求对制冷系统强度试验和保压试验进行监控。改造方案中压缩机要取消压缩机2号缸的压缩功能，因此每台压缩机都必须拆卸缸盖，对于一些多年没有进行过分解的压缩机，拆卸缸盖时需非常注意，缸头螺栓极易拧断，要将拧断的螺栓取出是非常复杂的，不但增加压缩机的检修工作量，还会增加压缩机损坏的风险，需要在工艺方法上进行研究，如增加松锈剂浸泡时间，设计专用钻模等，提出一套可行的操作步骤。

4.3 膨胀阀质量不可靠的原因及解决

为了保证替代改造后的制冷机组今后检修具有良好的互换性，《替代标准》统一了R22替代R12所用的配件型号和供应渠道。从供应商提供的两种订货号的某品牌的膨胀阀来看，外观上主要是调节杆有区别，但使用上都存在以下问题；1)新阀的开度有的是2～3圈，有的是全开，现车调试工作量大，与以往使用的另一种品牌的膨胀阀不同，另一种品牌膨胀阀出厂时已调整好出厂过热度，在现车调试时只需要微调即可。2)在机组地面运转调试时，调整膨胀阀开度以各台机组调整到蒸发器结霜基本一致为准，但装上车后经常出现个别机组制冷性能特别差，膨胀阀无法调节(关闭不了)，压缩机结霜严重情况，有时要多次调整和更换膨胀阀才能故排除障。3)多次出现连编试验时膨胀阀调节失灵，各车之间温差超过3℃，个别车温度降不下来，连编试验需要重做的情况，对生产进度造成影响。4)调节杆有微漏现象。5)连接螺母质量不高，易裂。我们建议换用另一种品牌制冷量相同的膨胀阀进行试验，并报中铁特货公司装备部同意，在某列改造车组上全部换装新型号膨胀阀，经过一系列的试验，性能及质量符合改造要求，并在其后的改造车组上全部装用。

4.4 融霜时间继电器频繁动作的原因及解决

实施替代改造后，融霜时间继电器全部更换为新的型号，融霜周期由原来11小时调整为7小时，融霜时间1小时。最初改造的机冷车组被运用单位经常反馈，融霜时间继电器动作紊乱，融霜间隔时间短，无法正常制冷。最初分析判断是融霜时间继电器有故障，在多次更换时间继电器仍解决不了问题后，对新的时间继电器进行了研究，发现与原机组的融霜时间继电器功能上有所不同，原时间继电器是机械式的，在融霜结束后计时器重新开始计时；新型号的时间继电器带有充电电池，融霜结束后计时器不会清零，而是累计计时，由于同一辆冷藏车有两台制冷机组，融霜控制采用的是相互闭锁的方式，就会造成机组频繁融霜。经与各分公司协商，要求供应商统一提供不带充电电池的时间继电器，并且将两台机组的时间继电器起始时间调整为相同。

4.5 喷液及排气温度控制器动作值的优化

根据《替代标准》，喷液温度控制值为闭合值110℃，断开值90℃(暂定)。压缩机排气温度保护值为125℃。在机组地面调试时，当环境温度达到38～39℃时，机组排气温度控制器已保护停机，因此我们建议将喷液温度和保护温度都适当调整，将保护温度调整为130℃(符合厂修规程要求)，喷液温度控制值调整为100℃开始喷液，按照调整后的设定值，基本能够保证制冷机组夏季运用。

4.6 降温速度变慢原因及解决

改用R22制冷剂后，由于R22制冷剂的特性，高温工况下比R12降温慢，低温工况下比R12快，根据连编试验数据显示，车内温度从起始外温降到-20℃时总体时间相差不大。新疆昼夜温差大，瓜果的装车时间不确定，当白天装车时，由于白天温度偏高，而葡萄的承运温度是0～4℃，制冷机组主要运行在高温工况，因此降温时间延长是客观的，比较可行的解决方案是尽可能在夜间装车。

5 结语

从2010年开始实施制冷机组制冷剂R22替代R12改造，到2013年工厂完成了95组机冷车，共760台制冷机组的改造任务。根据运用单位这几年的运用反馈，以及每年夏季工厂按照中铁特货运输有限责任公司的统一安排，派出工厂技术及检修人员和公司下属的三个检修运用分公司共同到新疆为瓜果运输提供技术服务时所了解的情况，机冷车实施制冷机组制冷剂R22替代R12改造总体情况是好的，制冷性能、安全性能、工作稳定性能、故障率等指标都与原机组基本相同，批量改造取得成功，为铁路冷藏运输提供了可靠保障。

[1] 常邦灿.铁路机械冷藏车制冷机组制冷剂替代的研究[J].铁道货运,2010,(6):34-37

[2] 彭建华,杨振祥，荀森，等.我国铁路冷藏车制冷工质R12之替代研究[J].铁道科学与工程学报,2009,6(2):59-63

[3] 陈家贵.对铁路机械冷藏车制冷剂替代的看法及建议[J].广西铁道,2009,(4):18-19